CN114485364A - 隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测系统及方法 - Google Patents

隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测系统及方法，所述方法包括：获取隧道掘进机掘进单位时间或单位距离滚刀转动的频数以及频率分布；根据滚刀不同磨损类型对滚刀转动间隔时间的影响，通过滚刀磨损频率分布特征完成滚刀磨损类型的定性判别；利用滚刀转动频数进行平均磨损量的定量计算。本发明可以同时完成滚刀磨损类型判别及磨损平均值计算，方法简单可靠、适用于隧道掘进机所有滚刀磨损类型的监测工作；同时本发明装置操作简单、价格低廉、适用性强，对现场滚刀磨损监测及成本控制有着重要意义。

Description

隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测系统及方法
技术领域
本发明涉及全断面隧道掘进机滚刀磨损监测技术领域，具体涉及隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测系统及方法。
背景技术
全断面隧道掘进机以其机械化程度高、掘进速度快、地层适应性强、安全高效等特点而成为隧道工程施工的主要工具。而作为隧道掘进机开挖地层的主要工具，滚刀在掘进过程中由于地层的磨蚀效应，滚刀将发生磨损，当磨损量达到一定限值后便需要及时进行更换维修，否则隧道掘进机将出现推力增大、扭矩增大、贯入度减小、掘进速度减小等情况，同时过度磨损将增大滚刀由于发生结构性损坏无法维修而报废的几率，严重影响隧道掘进机掘进效率及施工成本。由于地层的变化，滚刀在切削过程中除产生如均匀磨损、掉齿等常规磨损形式外，还会产生滚刀刀圈抱死、轴承损坏等引发的如偏磨、结构性损坏等异常磨损形式，不同磨损形式对滚刀切削寿命有着截然不同的影响。因此，为了全面掌握滚刀磨损情况，合理设计滚刀磨损更换区间，保障滚刀正常高效工作，迫切需要开发一种“磨损类型定性判定与磨损量定量识别相结合”的滚刀磨损监测装置及方法。
目前常用的刀具磨损监方法主要包括开仓检查、气味添加剂、压力线路监测三种。开仓检查法最为普遍，但需要停机进入土仓人工检测，费时费力、代价高昂，且需要承担掌子面涌水、坍塌等安全风险。气味添加剂法是在滚刀润滑油中增加刺激性物质，通过渣土气味判别滚刀是否磨损，然而受制于土体改良剂及地层条件，此方法准确性及实用性较差。压力线路监测法通过增加线路对滚刀内部的油压或线路通断进行监测，当油压丧失或线路断开时即表示滚刀磨损过量，但此方法对滚刀加工要求较高，附加线路布置复杂，难以在工程中进行使用。
国内外学者基于声光学、电磁学及无线传输原理已经开发出多种滚刀磨损实时监测装置及方法，然而由于此类方法尚存在着较多缺陷，在目前的科技水准前提下尚不具备实用性。现有方法面对的主要难点主要包括以下两点：一是滚刀切削工作环境中常常充斥着泥水、岩土体等导体，且滚刀磨损值常常处于30mm以内，采用如三维图像识别、超声波测绘、磁感应传感器等进行滚刀刀刃轮廓监测方法无法克服“恶劣的工作环境与精确的测量需求间的矛盾”；二是滚刀切削工作时掌子面常常并不平整，会有部分滚刀由于被架空而处于空转或停转状态，因而隧道掘进机滚刀的角速度、线速度等瞬时量具有强烈的波动性及不准确性，基于瞬时量的测量方法无法完成对滚刀实际磨损状态的准确评判，与之相反，对于滚刀磨损类型识别及磨损值量测手段应当基于一段时间监测的结果通过统计学处理从而消除瞬时的波动特性。
另外，目前已有刀具磨损监测方法系统复杂，只能对少量磨损风险高的刀具进行监测，无法实现对所有刀具实时准确的监控。
鉴于现存的隧道掘进机滚刀磨损监测装置及方法存在上述缺陷，难以实现隧道掘进机滚刀磨损信息的精确而全面的识别及评判，因此，开发出隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实现“磨损类型定性判定与磨损量定量识别相结合”、实用性高、稳定性强、适用范围广、可以有效指导隧道掘进机换刀工作的滚刀磨损监测系统及方法，通过定期自动监测的方式实现滚刀磨损可视化监控，保障隧道掘进机滚刀正常工作，避免因滚刀更换不及时、磨损形式判别错误而造成过度磨损、隧道掘进效率低下等问题，提高隧道掘进效率，缩短工期、降低成本。
根据本发明实施例第一方面，提供一种隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测方法，包括：获取隧道掘进机掘进单位时间或单位距离滚刀转动的频数以及频率分布；根据滚刀不同磨损类型对滚刀转动间隔时间的影响，通过滚刀磨损频率分布特征完成滚刀磨损类型的定性判别；利用滚刀转动频数进行平均磨损量的定量计算。
根据本发明实施例第二方面，提供一种隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测系统，包括：传感器，用于获取隧道掘进机掘进单位时间或单位距离滚刀转动的频数以及频率分布；滚刀磨损类型判断模块，用于根据滚刀不同磨损类型对滚刀转动间隔时间的影响，通过滚刀磨损频率分布特征完成滚刀磨损类型的定性判别；以及滚刀磨损量计算模块，用于利用滚刀转动频数进行平均磨损量的定量计算。
在一些示例中，滚刀不同磨损类型对滚刀转动间隔时间的影响为：
滚刀转动间隔时间呈现短期几乎不变、长期缓慢减少特性时表示滚刀均匀磨损；
滚刀在均匀磨损的某个周期中，呈现突发性信号丢失、频数不再增长特性时表示滚刀重度磨损；
间隔时间呈现逐步增大特性时表示滚刀轻微磨损；
间隔时间呈现出现突然增大，一段时间后重新恢复正常水准特性时表示由于掌子面不平，滚刀发生空转。
在一些示例中，根据公式(1)或(2)计算滚刀平均半径
Figure BDA0003473836050000031
根据公式(3)计算轻微磨损滚刀等效平均半径，
Figure BDA0003473836050000032
Figure BDA0003473836050000033
Figure BDA0003473836050000034
η为滑动修正系数(与地质条件有关，用于修正由于滚刀并非纯滚动而造成的磨损路程增加量，η>1)；t为掘进时间(min)；n为刀盘转速(r/min)；r为第i把滚刀在刀盘上的安装半径(mm)；Ni为滚刀转动圈数；L为掘进距离(mm)；v为隧道掘进机掘进速度(mm/min)；其中γ为偏磨修正系数(用于修正滚刀发生轻微异常磨损时磨损极值相较之于磨损计算平均值的增加量，γ>1)；将公式(1)、(2)得到的滚刀平均半径或公式(3)得到的滚刀等效平均半径与未磨损滚刀半径相减得到现阶段滚刀磨损平均值。
本发明具有如下优点：选取单位时间或掘进距离滚刀转动频率及频数为参数进行监测，通过滚刀转动频率分布特征及频数完成滚刀磨损类型定性判别及平均磨损量定量量测，有效避免了滚刀恶劣工作环境及工作状态对磨损监测的影响，方法可靠、适用于隧道掘进机所有滚刀磨损类型的监测工作；本发明操作简单、价格低廉、适用性强，能够实现对刀盘所有刀具实时监测，对现场滚刀磨损监测及成本控制有着重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明一实施例提供的隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测方法流程图。
图2为本发明一实施例提供的不同磨损类型滚刀转动频率特征示意图。
图3为本发明一实施例提供的永磁体及磁场感应部安装位置示意图。
图4为本发明一实施例提供的磁场感应部框图。
图5为本发明另一实施例提供的磁场感应部框图。
图6为本发明一实施例提供的磁场感应部采集信号的处理流程图。
具体实施方式
图1为一种隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测方法流程图。如图1，所述方法包括：获取隧道掘进机掘进单位时间或单位距离滚刀转动的频数以及频率分布；根据滚刀不同磨损类型对滚刀转动间隔时间的影响，通过滚刀磨损频率分布特征完成滚刀磨损类型的定性判别；利用滚刀转动频数进行平均磨损量的定量计算。
图2示出了不同磨损类型滚刀转动频率特征。如图2，根据滚刀不同磨损形式对滚刀转动一周所需时间的影响可以分为以下四种：A型为均匀磨损，表现特征为随着滚刀刀刃半径的均匀减小，间隔时间(滚刀转动一周时间)呈现短期几乎不变、长期缓慢减少；B型为重度磨损，表示滚刀在掘进过程中发生了轴承损坏、严重偏磨、刀圈掉落、滚刀卡死等情况，表现特征为滚刀在均匀磨损的某个周期中，突发性信号丢失、频数不再增长；C型为轻微磨损，表示滚刀发生轻微偏磨、刀箱内有泥土阻碍等情况，表现特征为滚刀磨损间隔时间逐步增大，可以采用修正系数修正磨损平均值后进行判定，需要注意的是此类滚刀极可能向重度磨损滚刀转化，需加强监测；D型表示由于掌子面不平，某滚刀发生空转，表现形式为间隔时间出现突然增大，一段时间后重新恢复正常水准。
根据盾构机掘进单位时间或单位距离时，滚刀自转及滚刀在刀盘上公转路径相同等量关系建立公式：
Figure BDA0003473836050000041
Figure BDA0003473836050000042
Figure BDA0003473836050000043
其中：
Figure BDA0003473836050000044
为第i把滚刀平均半径(mm)；η为滑动修正系数(与地质条件有关，用于修正由于滚刀并非纯滚动而造成的磨损路程增加量，η>1)；t为掘进时间(min)；n为刀盘转速(r/min)；r为第i把滚刀在刀盘上的安装半径(mm)；Ni为滚刀转动圈数；L为掘进距离(mm)；v为隧道掘进机掘进速度(mm/min)；
Figure BDA0003473836050000045
为轻微磨损滚刀磨损值；γ为偏磨修正系数(用于修正滚刀发生轻微异常磨损时磨损极值相较之于磨损计算平均值的增加量，γ>1)。
根据公式(1)、(2)、(3)可以得到滚刀平均半径，与未磨损滚刀半径相减即可得到现阶段滚刀磨损平均值((1)、(2)两公式等价，分别选择时间及掘进距离作为控制量，便于工程人员按照工程实际情况进行选定)，可以实现对均匀磨损及轻微磨损滚刀磨损平均值的获取。
通过磁感计数原理获取隧道掘进机掘进单位时间或单位距离滚刀转动的频数以及频率分布。如图3，在滚刀2刀体侧端装有一个永磁体3，可以随滚刀绕刀轴转动。在刀箱1紧邻永磁体3的一侧设置有磁场感应部4。通过磁场感应部4获取隧道掘进机掘进单位时间或单位距离滚刀转动的频数以及频率分布。磁场感应部4外壳为圆柱形结构，永磁体3与圆柱形外壳中心轴线在同一条直线上，圆柱形外壳与刀箱1上设置有相互匹配的螺纹结构，可以简单地实现安装与拆卸。
如图4，磁场感应部4内部电路包括每当永磁体3与磁场感应部4正对时即可产生脉冲信号的霍尔传感器7、可以识别脉冲信号的处理器6、可以将处理器6识别的脉冲信号无线传递出去的无线发射模块5、保护电路的电阻8、电源10以及开关11。
如图5示出了另一种磁场感应部4，将图4所示实施例中的霍尔传感器7更换为了磁性开关14及柔性绝缘弹簧13，每当永磁体3与磁场感应部4正对时，磁性开关14受磁力影响，克服柔性绝缘弹簧13弹力，线路接通，无线发射模块5发射信号，而当永磁体离开后，柔性绝缘弹簧13弹力使得磁性开关14断开，完成一个周期。霍尔传感器7、磁性开关14的信号反映了隧道掘进机掘进单位时间或单位距离滚刀转动的频数以及频率分布。
如图6，隧道掘进机主控电脑通过信号接收模块接收无线发射模块5发送的信号，所述主控电脑处理器上配置的储存运算模块对该信号进行存储和处理。所述储存运算模块包括滚刀磨损类型判断模块、滚刀磨损量计算模块。所述滚刀磨损类型判断模块用于根据滚刀不同磨损类型对滚刀转动间隔时间的影响，通过滚刀磨损频率分布特征完成滚刀磨损类型的定性判别。所述滚刀磨损量计算模块用于利用滚刀转动频数进行平均磨损量的定量计算。此外，通过可视化监测模块将所有滚刀磨损情况(磨损类型、磨损量)在可视化界面中进行展示。磨损量超过阈值时，报警系统发出报警信息。
工程应用
1.根据实际工程地层信息利用室内试验测定滑动修正系数η。
2.隧道掘进机正常工作，根据实际需要选定时间尺度t或距离尺度L对滚刀磨损平均值及滚刀转动的频率及频数进行监测(滚刀刚刚完成更换及将要达到磨损阈值时选择小尺度t或L，其他时间可以适当放大距离尺度t或L)，对滚刀转动频数及频率进行储存及整合。
3.根据滚刀转动频率分布特征，按照如图2所示特征对每个滚刀磨损类型进行分类，分为均匀磨损、重度磨损、轻微磨损三种类型。
4.在可视化界面中对每个滚刀的磨损类型以及磨损量进行展示，不同磨损类型用不同颜色标识。对于正常磨损滚刀及轻微异常磨损滚刀通过滚刀转动频数进行平均磨损值计算，对磨损平均值达到阈值的滚刀进行定位、标识及报警。

Claims (10)

1.一种隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测方法，其特征在于，包括：
获取隧道掘进机掘进单位时间或单位距离滚刀转动的频数以及频率分布；
根据滚刀不同磨损类型对滚刀转动间隔时间的影响，通过滚刀磨损频率分布特征完成滚刀磨损类型的定性判别；
利用滚刀转动频数进行平均磨损量的定量计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，滚刀不同磨损类型对滚刀转动间隔时间的影响为：
滚刀转动间隔时间呈现短期几乎不变、长期缓慢减少特性时表示滚刀均匀磨损；
滚刀在均匀磨损的某个周期中，呈现突发性信号丢失、频数不再增长特性时表示滚刀重度磨损；
间隔时间呈现逐步增大特性时表示滚刀轻微磨损；
间隔时间呈现出现突然增大，一段时间后重新恢复正常水准特性时表示由于掌子面不平，滚刀发生空转。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据公式(1)或(2)计算滚刀平均半径
Figure FDA0003473836040000011
根据公式(3)计算轻微磨损滚刀等效平均半径，
Figure FDA0003473836040000012
Figure FDA0003473836040000013
Figure FDA0003473836040000014
η为滑动修正系数(与地质条件有关，用于修正由于滚刀并非纯滚动而造成的磨损路程增加量，η>1)；t为掘进时间(min)；n为刀盘转速(r/min)；r为第i把滚刀在刀盘上的安装半径(mm)；Ni为滚刀转动圈数；L为掘进距离(mm)；v为隧道掘进机掘进速度(mm/min)；其中γ为偏磨修正系数(用于修正滚刀发生轻微异常磨损时磨损极值相较之于磨损计算平均值的增加量，γ>1)；将公式(1)、(2)得到的滚刀平均半径或公式(3)得到的滚刀等效平均半径与未磨损滚刀半径相减得到现阶段滚刀磨损平均值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过磁感计数原理获取隧道掘进机掘进单位时间或单位距离滚刀转动的频数以及频率分布。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将每个滚刀磨损情况在可视化界面中进行展示。
6.一种隧道掘进机滚刀磨损类型判别及磨损量监测系统，其特征在于，包括：
传感器，用于获取隧道掘进机掘进单位时间或单位距离滚刀转动的频数以及频率分布；
滚刀磨损类型判断模块，用于根据滚刀不同磨损类型对滚刀转动间隔时间的影响，通过滚刀磨损频率分布特征完成滚刀磨损类型的定性判别；以及
滚刀磨损量计算模块，用于利用滚刀转动频数进行平均磨损量的定量计算。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，滚刀不同磨损类型对滚刀转动间隔时间的影响为：
滚刀转动间隔时间呈现短期几乎不变、长期缓慢减少特性时表示滚刀均匀磨损；
滚刀在均匀磨损的某个周期中，呈现突发性信号丢失、频数不再增长特性时表示滚刀重度磨损；
间隔时间呈现逐步增大特性时表示滚刀轻微磨损；
间隔时间呈现出现突然增大，一段时间后重新恢复正常水准特性时表示由于掌子面不平，滚刀发生空转。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，根据公式(4)或(5)计算滚刀平均半径
Figure FDA0003473836040000021
根据公式(6)计算轻微磨损滚刀等效平均半径，
Figure FDA0003473836040000022
Figure FDA0003473836040000023
Figure FDA0003473836040000024
η为滑动修正系数(与地质条件有关，用于修正由于滚刀并非纯滚动而造成的磨损路程增加量，η>1)；t为掘进时间(min)；n为刀盘转速(r/min)；r为第i把滚刀在刀盘上的安装半径(mm)；Ni为滚刀转动圈数；L为掘进距离(mm)；v为隧道掘进机掘进速度(mm/min)；其中γ为偏磨修正系数(用于修正滚刀发生轻微异常磨损时磨损极值相较之于磨损计算平均值的增加量，γ>1)；将公式(4)、(5)得到的滚刀平均半径或公式(6)得到的滚刀等效平均半径与未磨损滚刀半径相减得到现阶段滚刀磨损平均值。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述传感器为霍尔传感器或磁感应开关。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，通过可视化监测模块将每个滚刀磨损情况在可视化界面中进行展示。
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